第7章-大气温室气体与气候变化

第七章大气温室气体与气候变化主要内容：大气温室气体的种类、来源及其分布大气中温室气体浓度的变化温室效应增加和全球变暖气候变化对人类生存环境的影响第一节大气温室气体的种类、来源及其分布什么是温室气体大气圈实际上就是指包围在地球周围的气体层，其总质量约为6000×108T。大气层是由氮气（78%）氧气（20.95%）氢气（0.93%）以及少量的二氧化碳,臭氧,一氧化碳,甲烷等微量气体组成。此外大气层中还有一些含量变化不定的水蒸汽等组分。大气层就像人们熟知的温室中的玻璃或塑料薄膜一样，将整个地球变成了一个大温室，使地球表面的温度变暖并基本保持在目前的这个水平上。那些能够阻挡地球红外辐射向大气层外逃逸从而对地球起着保温作用的气体就被称为温室效应气体或简称为温室气体。大气中的温室气体有哪几种大量的研究结果表明，地球大气中的温室气体主要有水汽，二氧化碳，甲烷，氧化亚氮，臭氧，二氧化硫，一氧化碳以及其他滞留在大气中的痕量气体，如氟氯烃，氟化物，溴化物，氯化物，醛类，以及各种氮氧化物，硫化物等。温室气体的气体总和也超不过整个大气层体积的0.03℅。一部分由于人类本身的生产和社会活动排放而滞留在大气中。大气中的温室气体来自何处大气中温室气体大致分为两类：一类是大气中固有的，如二氧化碳、臭氧、氧化亚氮、甲烷一类是工业化以来人类活动过程中排放到大气中的，如氟氯烃、醛类以及一些氮和硫的氧化物。一、二氧化碳大气中的二氧化碳主要来源于于燃烧过程，土壤或其他地方有机物的分解以及人群和动物的呼吸。二、甲烷大气中的甲烷由于其含量甚微，长期以来不被人们所重视。甲烷是天然气的主要成分，甲烷通常被俗称为沼气，，按来源可分为自然源和人为源，前者主要是自然湿地，海洋，淡水，甲烷水合物以及白蚁等，其中自然湿地是大气中甲烷的最主要自然源。人为源就是水田，由于水田中可提供良好的厌氧条件，因此促进了甲烷气体的产生和向大气排放。另外，畜产业的快速发展也会使畜牧场地的粪便、碎屑等动物废弃物大量增加，而这些废弃物以肥料形式埋入地下腐烂发酵时会产生厌氧条件百而导致甲烷的产生和排放。第三个被公认的甲烷人为源就是固体废弃物的填埋。三、氧化亚氮N2O是低层大气中含量最高的含氮化合物，主要来自于天然来源，即由土壤中硝酸盐(NO3-)经细菌的脱氮作用而产生：由于在低层大气中N2O非常稳定，是停留时间最长的氮的氧化物，一般认为其没有明显的污染效应，大气寿命约120a天然源：海洋和热带森林人为源：农田氮肥使用、工业生产和家畜、生物质燃烧以人为源排放导致增加为主四、臭氧天然源平流层输送原因：对流层顶折叠判断：数据突变，7Be高值（平流层物种，由宇宙射线产生）峰值出现在冬季和春季，或浓度没有明显白昼变化对流层光化学过程产生第二节大气中温室气体浓度的变化一、温室气体的浓度极其测量“温室气体”的真正科学问题是：大气中的重要温室气体自工业革命以来有多大变化？今后会如何变化？温室气体含量变化会使它们的温室效应增强多少？1958年，美国斯克里普斯海洋研究所在夏威夷岛的莫纳洛娃山建立了全球第一个连续观测大气中温室气体浓度极其变化的观测站20世纪70年代初，世界气象组织（WMO）、世界卫生组织（WHO）和联合国环境规划署（UNEP）等国际组织共同发起和组织了“大气本底污染观测网”（BackgroundAirPollutionMonitoringNetwork，简称BAPMoN，旨在对世界范围内大气污染状况进行长期全球性观测，其中包括对大气中主要温室气体的观测，目前，在世界各地已有200个观测站。对历史大气状况进行研究，使用冰芯气泡分析法，已获得距今20万年以来大气中CO2、CH4等气体的含量；海底沉积物也是研究方法。二、大气中主要温室气体的浓度极其变化1.CO2浓度的增加它被公认为大气中最重要的温室气体，含量取决于地球上生物圈，海洋和大气圈等主要碳库间二氧化碳的交换和平衡过程。就全球而言，大气中二氧化碳的浓度并非是均匀分布的，如前所述，化石燃料燃烧是当前导致大气中二氧化碳浓度增加的主要原因，由于这种燃烧大约百分之九十五发生在北半球，因此，北半球大气中二氧化碳浓度要高于南半球大气中的相应值。南北半球浓度之差约为2×106到3×106。2.CH4浓度的变化20世纪90年代后，大气中甲烷浓度呈迅速增长态势，平均增长速率1%左右；北半球浓度明显高于南半球浓度。CH4在大气中的源、会情况复杂，其源、汇变化和在大气中的输送过程至今还不是很清楚1993年前后在全球范围内观测到了大气CH4浓度增长速率大大降低的结果，其原因还没有达成共识。3.N2O浓度的变化20世纪中叶，大气中N2O浓度一直处于285×106左右，几乎没有什么明显变化，其后，浓度呈现了明显增长趋势，目前，年增长率约为0.26%。N2O在全球浓度基本呈现均匀分布，一方面因为浓度较低，另一方面跟N2O在大气中寿命较长有关。四、大气中CFCs的变化三、未来大气中温室气体浓度的变化趋势主要温室气体在大气中的浓度在今后30~50a间如何变化时当今人们在温室气体研究中最关心的问题。大气中温室提起浓度今后的变化特征将主要取决与人类本省的行为。估计大气中温室气体的浓度今后的变化是一件非常困难的事，不仅涉及到各种温室气体在大气中的源、汇需要作出科学认识和估算，更重要的是它涉及到人口增长、经济发展以及能源结构等一系列社会、环境问题。所有温室气体未来变化趋势的预测都带有较大的盲目性和不确定性。根据政府间气候变化委员会(IPCC)以及世界能源协会（WEC）的研究：1.CO22.CH4利用大气中甲烷浓度与世界人口增长之间的统计关系，根据联合国估计的未来人口增长速率预测，21实际末，CH4浓度将翻一番，达到3.5×1063.N2O由于排放量小，汇相对稳定，未来变化预测中，不确定性相对较小，未来几十年大气中N2O将以0.2~0.3%的年增长率增加。4.CFCs取决于他们被控制的程度和时间进程。近几十年，CFC11、CFC12始终以4%左右的年增长率迅速增加。气候：研究气温、降水、风速风向等气象要素的长期（如100年）平均规律，是一个地区的冷、暖、干、湿等天气状况基本特征的综合反映。气候系统由大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和冰冻圈共同组成，气候是这些圈层相互作用的结果。气候变化：指长时期内气候状态的变化，通常用不同时期温度和降水等气候要素统计量的差异来反映，变化的时间尺度从最长的几十亿年到年际、季际、月际。气候异常：指正常气候起伏中出现的明显反常现象，导致人类及动植物的不适应，影响人类社会及生产活动，危机动植物的正常生长发育，并可能导致飓风、热浪、暴风雪等灾害性时间。大气辐射以及各个圈层内部和相互之间的物理、化学和生物过程的相互作用决定了气候变化。温室效应气溶胶：阳伞效应第一节大气辐射传输过程一、大气对辐射的吸收和散射吸收：空气分子与电磁波发生相互作用时，一部分电磁场的能量转化为分子或原子内部的能量。被吸收的能量可使温度增加，也可变化为化学能或导致光化学反应。一般吸收都伴随着分子内部的能级跃迁，具有波长选择性。散射：当电磁波照射到折射不均匀的地区时，会发生传播方向的改变，称为散射。大气中的空气分子、水滴、气溶胶粒子、冰晶等颗粒物会造成散射，由于温度不均匀导致的湍流块也会造成散射。散射过程特点是将波传播的方向改变。弹性散射非弹性散射一次散射多次散射X1瑞利散射；0.1x50米（Mie)散射x50几何光学方法大气散射参数的观测研究消光系数Kex：测量光（I0）通过一段距离（L）的衰减太阳光度计测量大气光学厚度：地面、大气及地气系统的辐射平衡地球大气系统接受的太阳短波辐射地气系统向宇宙空间的长波辐射太阳常数：S0=1367W/m2;行星反照率：A=0.3；斯蒂芬-玻尔兹曼常数σ=5.6696×10-8W·m-2·K-4计算结果：Te=255K（约-18℃），为地气系统平衡时的有效温度由于温室效应的存在，实际上地球表面平均温度为15℃当大气层对长波辐射吸收率AL增大时，地面温度也将升高地面辐射收入总是大于支出，多余能量用于水分蒸发，以潜热和热对流方式给予大气；整层大气辐射平衡为负，通过地面显热和潜热补偿实际辐射平衡状况在不同纬度和季节都会有所变化第二节温室效应和温室气体大气中的温室气体，能够吸收来自地面、大气和云层的部分红外辐射，并向外发射红外辐射，由于这些微量气体发射的红外辐射是朝向各个方向的，其中一部分辐射返回地面净的结果是将能量阻截在低层大气中，使地面温度升高，这种作用机制被称为天然温室效应；能够产生温室效应的气体就称为温室气体。“大气窗口”7~13μm地面长波辐射很强，CO2和H2O吸收很小但O3，CFCs吸收很大判断一种物质是否为温室气体，主要有三个方面：1.该气体必须有足够宽的红外吸收带，在大气中浓度足够高，能显著吸收红外辐射；2.该气体如果在7~13μm的大气辐射窗口有吸收，对温室效应的增强最有效；3.大气寿命长。气体分子的红外辐射基态（E0）碰撞活化、吸收光子激发态(E1)激发态(E1)自发发射、受激发射、碰撞失活基态（E0）对流层由于气体浓度高，碰撞活化和碰撞失活是主导因素玻尔兹曼分布：处于激发态的分子数目随着温度降低而减少，辐射能量也随着温度降低而减少激发态分子数基态分子数温室气体的净效应不只取决与它对地球长波辐射的吸收，还取决于它自身发射的红外辐射。CO2进入平流层，由于浓度很低，吸收的红外辐射很小，但平流层温度随高度增加而升高，激发态分子比例也随着高度增加而增加，净结果是更多的辐射能量进入到宇宙空间，与对流层相反，平流层CO2起降温作用，H2O也一样。二、大气中的温室气体大气中温室气体分为两类：一种能吸收和发射红外辐射，称为辐射活性气体，包括CO2,CH4,N2O和卤代烃等寿命较长，在对流层大气中混合均匀的气体，也包括时空分布差异很大的O3；另一种不能或只能微弱地吸收和发射红外辐射，但可以通过化学转化来影响辐射活性气体的浓度水平，称为反应活性气体，包括NOX，CO和VOCS.平流层O3损耗，降低平流层温度，降低向下的红外辐射；增加进入对流层紫外辐射，使对流层光化学过程活跃，OH浓度增加，加速CH4和HFCs的去去除，起到降温作用NOX升高会使CH4和HFCs浓度降低，O3浓度升高，另外作为N肥，沉降到地面和海洋，促进植物生长，降低CO2浓度，对辐射平衡的影响很难量化。三、温室气体的辐射强迫辐射强迫：考虑某一扰动作用于气候系统，当平流层温度已调至辐射平衡状态，而地表和对流层仍保持未扰动状态时，这一扰动所产生的对流层顶平均净辐照度的变化（包括太阳辐射和红外辐射），称为辐射强迫，单位是W/m2，能够打破地气系统平衡的扰动，被称为辐射强迫因子。能够简单、准确反映某一辐射强迫因子对气候系统的影响。温室气体的直接辐射强迫：辐射活性气体通过吸收和发射红外辐射对辐射平衡产生影响间接辐射强迫：反映活性温室气体通过影响化学转化过程和大气中反映活性物种（例如OH）的分布对辐射平衡产生间接的影响新增温室气体产生的辐射强迫会随着其本底浓度的增加而减弱，存在饱和现象。四、全球变暖潜势全球变暖潜势（globalwarmingpotentialGWP）：是一个相对概念，定义为单位质量的某一温室气体在一定时间内相对于参考气体的累积辐射能力。第三节气溶胶的辐射强迫气溶胶的辐射强迫：一方面导致大气对太阳光散射作用增强，反照率增加，产生负的辐射强迫；一方面吸收太阳辐射，产生正的辐射强迫。一、气溶胶的直接辐射强迫气溶胶的消光作用：散射和吸收，以散射为主Dp0.05μm,爱恨核模瑞利散射主要对紫外光散射大0.1Dp1μm,积聚模米散射直接强迫辐射主要来源Dp10μm,消光佯谬米散射消光系数理论计算公式：粒径：积聚模态气溶胶粒径与太阳短波辐射波长相近，具有最大的质量消光系数，又易悬浮在大气中，大气寿命长，是辐射强迫的主要贡献者。化学成分：外混合：不同成分以独立个体存在内混合：单个颗粒物由多种化学成分组成不确定因子：最大值和最小值之差与最可能值的比值二、气溶胶的间接辐射强迫作用当气溶胶